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Engineering

पॉलिमर-आधारित नैनोकम्पोसिट्स के डाइइलेक्ट्रिक गुणों में सुधार करने के लिए एक कपलिंग एजेंट का आवेदन

Published: September 19, 2020 doi: 10.3791/60916
Automatic Translation
1,2,3, 4, 4, 5, 1, 1,2
1Taiyuan University of Science and Technology, 2Heavy Machinery Engineering Research Center of the Ministry of Education, 3Laboratory of Magnetic and Electric Functional Materials and Applications, The Key Laboratory of Shanxi Province, 4Beijing Institute of Aerospace System Engineering, 5Department of Electrical and Information Engineering, Sichuan College of Architectural Technology

Summary

यहां, हम सतह संशोधित BaTiO 3 भराव का उपयोग करके बहुलक आधारित नैनोकम्पोसाइट्स के भराव और मैट्रिक्स के बीच अनुकूलता में सुधार करने के लिए एक सरल और कम लागत वाली समाधान-कास्टिंग प्रक्रिया प्रदर्शित करते हैं, जो कंपोजिट के ऊर्जा घनत्व को प्रभावीढंग से बढ़ा सकते हैं।

Abstract

इस काम में, समाधान कास्टिंग के माध्यम सेBaTiO3 -P (VDF-CTFE) नैनोकंपोजिट की निर्माण प्रक्रिया के दौरान एक युग्मन एजेंट के रूप में 3-अमीनोप्रोपाइलट्राइएथॉक्सीजन (KH550) जोड़कर सिरेमिक फिलर्स और बहुलक मैट्रिक्स के बीच अनुकूलता में सुधार करने के लिए एक आसान, कम लागत और व्यापक रूप से लागू विधि विकसित की गई थी। परिणाम बताते हैं कि KH550 का उपयोग सिरेमिक नैनोफिलर की सतह को संशोधित कर सकता है; इसलिए, सिरेमिक-बहुलक इंटरफ़ेस पर अच्छी गीलाता हासिल की गई थी, और युग्मन एजेंट की उपयुक्त मात्रा द्वारा बढ़ी हुई ऊर्जा भंडारण प्रदर्शन प्राप्त किए गए थे। इस विधि का उपयोग लचीले कंपोजिट तैयार करने के लिए किया जा सकता है, जो उच्च प्रदर्शन वाली फिल्म कैपेसिटर के उत्पादन के लिए अत्यधिक वांछनीय है। यदि इस प्रक्रिया में कपलिंग एजेंट की अत्यधिक मात्रा का उपयोग किया जाता है, तो गैर-संलग्न कपलिंग एजेंट जटिल प्रतिक्रियाओं में भाग ले सकता है, जिससे डाइइलेक्ट्रिक स्थिर में कमी आती है और डाइइलेक्ट्रिक हानि में वृद्धि होती है।

Introduction

विद्युत ऊर्जा भंडारण उपकरणों में लागू डाइइलेक्ट्रिक्स को मुख्य रूप से दो महत्वपूर्ण मापदंडों का उपयोग करके चिह्नित किया जाता है: डाइइलेक्ट्रिक कॉन्स्टेंट (εआर)और ब्रेकडाउन स्ट्रेंथ(ईबी)1,,2,,3। सामान्य तौर पर, पॉलीप्रोपाइलीन (पीपी) जैसे कार्बनिक सामग्री एक उच्च ईबी (~ 102 एमवी/एम) और कम εε (ज्यादातर & 5)4,,5,,6 जबकि अकार्बनिक सामग्री का प्रदर्शन करती हैं, विशेष रूप से बॉटियो3जैसे फेरोइलेक्ट्रिक्स, एक उच्च εआर (103 -104)और कम ईबी (~ 100 एमवी/एम)6,,7,8का प्रदर्शनकरतेहैं। कुछ अनुप्रयोगों में, लचीलापन और उच्च यांत्रिक प्रभावों का सामना करने की क्षमता भी डाइइलेक्ट्रिक कैपेसिटर4गढ़ने के लिए महत्वपूर्ण हैं । इसलिए, बहुलक आधारित डाइइलेक्ट्रिक कंपोजिट तैयार करने के तरीकों को विकसित करना महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से कम लागत वाले तरीकों के विकास के लिए उच्च εआर ,और ई, बी9,16,,10, 11, 12,,13,,14,1215, 17,,14,18के साथ उच्च प्रदर्शन 0-3 नैनोकम्पोसाइट्स बनानेकेलिए।18 इस उद्देश्य के लिए, ध्रुवीय बहुलक पीवीडीएफ और इसके सहसंबद्ध कोपॉलिमर जैसे फेरोइलेक्ट्रिक पॉलीमर मैट्रिस के आधार पर तैयारी के तरीकों को उनके उच्च εआर (~ 10)4,19,,20के कारण व्यापक रूप से स्वीकार किया जाता है।, इन नैनोकम्पोजिट्स में, उच्च,ई आर,विशेष रूप से फेरोइलेक्ट्रिक सिरेमिक वाले कणों को,भराव 6,20, 20, 22, 22,,23,,,24,,2425के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।2325

सिरेमिक-बहुलक कंपोजिट के निर्माण के तरीकों को विकसित करते समय, एक सामान्य चिंता है कि26भराव के वितरण से डाइइलेक्ट्रिक गुण काफी प्रभावित हो सकते हैं। डाइइलेक्ट्रिक कंपोजिट की एकरूपता न केवल तैयारी के तरीकों से निर्धारित होती है, बल्कि मैट्रिक्स औरफिलर्स 27के बीच गीली स्थिरता से भी होती है। कई अध्ययनों से यह सिद्ध हो चुका है कि सिरेमिक-बहुलक कंपोजिट की एकरूपता को स्पिन-कोटिंग28, 29और,गर्म दबाने वाली19,,26 जैसी भौतिक प्रक्रियाओं द्वारा समाप्त किया जा सकता है।26 हालांकि, इन दोनों प्रक्रियाओं में से कोई भी भराव और मैट्रिस के बीच सतह कनेक्शन को नहीं बदलता है; इसलिए, इन तरीकों से तैयार कंपोजिट अभी भी εआर और ईबी19,27में सुधार करने में सीमित हैं . इसके अतिरिक्त, विनिर्माण दृष्टिकोण से, असुविधाजनक प्रक्रियाएं कई अनुप्रयोगों के लिए अवांछनीय हैं क्योंकि वे28, 29,से अधिक जटिल निर्माण प्रक्रियाओं का कारणबनसकती हैं। इस संबंध में, एक सरल और प्रभावी विधि की जरूरत है।

वर्तमान में, सिरेमिक-बहुलक नैनोकम्पोसिट की अनुकूलता में सुधार करने के लिए सबसे प्रभावी तरीका सिरेमिक नैनोकणों के उपचार पर आधारित है, जो फिलर्स और मैट्रिस30, 31,31के बीच सतह रसायन को संशोधित करता है। हाल के अध्ययनों से पता चला है कि कपलिंग एजेंटों को सिरेमिक नैनोकणों पर आसानी से लेपित किया जा सकता है और कास्टिंग प्रक्रिया को प्रभावित किए बिना32 , 33,34 , 35,,36,36के बीच भराव और मैट्रिस के बीच गीली क्षमता को प्रभावीढंगसे संशोधित किया जासकता36है। सतह संशोधन के लिए, यह व्यापक रूप से स्वीकार किया जाता है कि प्रत्येक समग्र प्रणाली के लिए, युग्मन एजेंट की एक उपयुक्त मात्रा है, जो ऊर्जा भंडारण घनत्व37में अधिकतम वृद्धि से मेल खाती है; कंपोजिट में अतिरिक्त युग्मन एजेंट उत्पादों के प्रदर्शन में गिरावट में परिणाम हो सकता है36,37,38. नैनो आकार के सिरेमिक फिलर्स का उपयोग करके डाइइलेक्ट्रिक कंपोजिट के लिए, यह अनुमान लगाया जाता है कि युग्मन एजेंट की प्रभावशीलता मुख्य रूप से भराव के सतह क्षेत्र पर निर्भर करती है। हालांकि, प्रत्येक नैनो आकार प्रणाली में इस्तेमाल की जाने वाली महत्वपूर्ण राशि का निर्धारण अभी बाकी है । संक्षेप में, सिरेमिक-बहुलक नैनोकम्पाइट्स के निर्माण के लिए सरल प्रक्रियाओं को विकसित करने के लिए युग्मन एजेंटों का उपयोग करने के लिए आगे अनुसंधान की आवश्यकता है।

इस काम में, BaTiO3 (बीटी), उच्च डाइइलेक्ट्रिक स्थिर के साथ सबसे व्यापक रूप से अध्ययन फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री, भराव के रूप में इस्तेमाल किया गया था, और पी (VDF-CTFE) 91/9 मोल% कोपॉलिमर (VC91) सिरेमिक-बहुलक कंपोजिट की तैयारी के लिए बहुलक मैट्रिक्स के रूप में इस्तेमाल किया गया था । बीटी नैनोफिलरों की सतह को संशोधित करने के लिए, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध 3-अमीनोप्रोपिल्रिएथॉक्सीलेन (KH550) खरीदा गया था और एक कपलिंग एजेंट के रूप में उपयोग किया जाता था। नैनोकंपोसाइट प्रणाली की महत्वपूर्ण राशि प्रयोग की एक श्रृंखला के माध्यम से निर्धारित किया गया था । नैनो आकार के समग्र प्रणालियों के ऊर्जा घनत्व में सुधार करने के लिए एक आसान, कम लागत और व्यापक रूप से लागू विधि का प्रदर्शन किया जाता है।

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Protocol

1. बीटी भराव की सतह संशोधन

  1. KH550 समाधान के 20 एमएल (95 डब्ल्यूटी% इथेनॉल-पानी सॉल्वेंट में 1 wt% KH550) और 15 मिनट के लिए अल्ट्रासोनिकेट तैयार करें।
  2. बीटी नैनोकणों (यानी, भराव) और KH550, क्रमशः वजन, ताकि भराव कपलिंग एजेंट के 1, 2, 3, 4, 5 wt% के साथ लेपित किया जा सकता है । 1.057, 2.114, 3.171, 4.228, और 30 मिनट अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा KH550 समाधान के 5.285 एमएल में बीटी नैनोकणों के 1 ग्राम का इलाज करें।
  3. मिश्रण से पानी-इथेनॉल सॉल्वेंट को 5 घंटे के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर वाष्पित करें और फिर एक वैक्यूम ओवन में 12 घंटे के लिए 120 डिग्री सेल्सियस पर।
  4. बीटी-VC91 नैनोकंपोसाइट तैयार करने के लिए सतह संशोधित भराव के रूप में शुष्क बीटी नैनोकणों का उपयोग करें।

2. बीटी-VC91 नैनोकम्पसाइट्स की तैयारी

  1. एक सजातीय VC91-DMF समाधान प्राप्त करने के लिए 8 घंटे के लिए चुंबकीय सरगर्मी द्वारा कमरे के तापमान पर एन, एन-डाइमिथाइलफार्मेमाइड (DMF) के 10 मिलीलन में VC91 पाउडर के 0.3 ग्राम भंग।
  2. जोड़ें 0.0542, 0.1145, 0.1819, 0.2578, 0.3437, और 0.4419 ग्राम बीटी नैनोकणों के 10 एमसीएल में VC91-DMF समाधान नैनोसस्प्यूटियों में 5, 10, 15, 20, 25, और 30 vol% का अंतिम बीटी प्रतिशत प्राप्त करने के लिए। एक सजातीय बीटी-VC91-DMF निलंबन बनाने के लिए 12 घंटे के लिए चुंबकीय सरगर्मी और 30 मिनट के लिए अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा बीटी नैनोकणों को मिलाएं ।
    नोट: कपलिंग एजेंट के साथ लेपित असंशोधित बीटी और बीटी नैनोकणों दोनों का उपयोग किया जाता है।
  3. बीटी-वीसी91-डीएमएफ को पूर्वहीट 75 मिमी x 25 मिमी ग्लास सब्सट्रेट (3 एमएल प्रति सब्सट्रेट) पर समान रूप से डालकर निलंबन को कास्ट करें। समग्र फिल्में बनाने के लिए डीएमएफ सॉल्वेंट को वाष्पित करने के लिए 8 घंटे के लिए ओवन में निलंबन के साथ ग्लास सब्सट्रेट्स को 70 डिग्री सेल्सियस पर रखें।
  4. मुक्त खड़े बीटी-VC91 फिल्मों को प्राप्त करने के लिए तेज चिमटी का उपयोग कर ग्लास सब्सट्रेट्स से कंपोजिट जारी करें। एनील 12 घंटे के लिए हवा में १६० डिग्री सेल्सियस पर एक पूर्व गरम धूल मुक्त कागज पर फिल्मों ।

3. लक्षण वर्णन और माप

  1. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) का उपयोग करके नैनोकोपोसाइट्स की आकृति विज्ञान और एकरूपता की विशेषता है। ऐसा करने के लिए, तरल नाइट्रोजन में बीटी-VC91 नमूनों को फ्रीज करें और 5 मिमी x 30 माइक्रोन (यानी, सिरेमिक-बहुलक इंटरफेस) के अनुमानित आकार के साथ ताजा क्रॉस सेक्शन दिखाने के लिए तोड़ें। फिर 3−5 एनएम की मोटाई के साथ सोने की परत के साथ क्रॉस सेक्शन के एक तरफ कोट करें और एसईएम(सामग्रियों की तालिका)का उपयोग करके समग्र संरचना की विशेषता है।
  2. एक सोने के कोटर(सामग्री की मेज),एक सकारात्मक सर्कल आकार के साथ सोने की परतों धूम, 3 मिमी का व्यास, और नैनोकंपोसाइट के दोनों ओर ~ 50 एनएम की मोटाई का उपयोग करना बाधा परीक्षण के लिए इलेक्ट्रोड बनाने के लिए कदम 2 से तैयार किया गया है।
  3. सीपी-डी फ़ंक्शन के साथ एक बाधा एनालाइजर(सामग्रीकी तालिका) का उपयोग करके 100 हर्ट्ज से 1 मेगाहर्ट्ज तक की आवृत्ति सीमा पर नैनोकम्पोसिट की क्षमता और डाइइलेक्ट्रिक हानि की विशेषता है। परीक्षण में, समग्र फिल्म के दोनों किनारों पर सोने की परतों को स्थिरता के दो ध्रुवों से जोड़ें।
  4. समानांतर कैपेसिटर मॉडल का उपयोग करके बाधा विश्लेषक द्वारा प्राप्त क्षमता से नैनोकम्पोसाइट्स के डाइइलेक्ट्रिक स्थिर (εआर)की गणना करें:

    εr = dCp/ε0एक

    जहां0 = 8.85 x 10-12,एक सोने के इलेक्ट्रोड का क्षेत्र है, डी नमूने की मोटाई है, और सीपी बाधा विश्लेषक की स्थिरता के साथ सोने के इलेक्ट्रोड को जोड़कर प्राप्त समानांतर क्षमता है।
  5. 10 केवी हाई वोल्टेज सप्लायर(टेबल ऑफ मैटेरियल)का उपयोग करके नैनोकम्पोसिट की टूटने की ताकत की विशेषता है। प्रत्येक नमूने के टूटने तक समान रूप से और लगातार लागू बिजली के क्षेत्र में वृद्धि करें।
  6. फेरोइलेक्ट्रिक परीक्षक का उपयोग करके नैनोकम्पोसिट के ध्रुवीकरण-इलेक्ट्रिक (पी-ई) फील्ड हिस्टीरेसिस लूप की विशेषता है। बिजली के क्षेत्र में लगातार वृद्धि करते हुए प्रत्येक विद्युत क्षेत्र में पी-ई लूप रिकॉर्ड करें।

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Representative Results

भराव की विभिन्न सामग्री के साथ मुक्त खड़े नैनोकंपोसाइट फिल्मों को प्रोटोकॉल में वर्णित के रूप में सफलतापूर्वक गढ़ा गया था, और उन्हें xBT-VC91 के रूप में लेबल किया गया था, जहां एक्स कंपोजिट में बीटी का मात्रा प्रतिशत है। इन बीटी-VC91 फिल्मों के आकृति विज्ञान और माइक्रोस्ट्रक्चर पर KH550 (युग्मन एजेंट) के प्रभाव का एसईएम द्वारा अध्ययन किया गया था और चित्र 1में दिखाया गया था। 1 और 5 wt% कपलिंग एजेंट के साथ 30BT-VC91 नैनोकम्पसाइट्स की एसईएम छवियां चित्रा 1a और चित्रा 1bमें दिखाई गई हैं। 1 डब्ल्यूटी% KH550 के साथ बीटी-वीसी91 नैनोकम्पसाइट्स का भराव वितरण 5 डब्ल्यूटी% KH550 के साथ बीटी-वीसी91 नैनोकम्पाइट्स की तुलना में बहुत डेंजर और अधिक समान है, यह सुझाव देते हुए कि सिरेमिक नैनोकणों को कास्टिंग के दौरान नैनोकंपोसाइट्स में समान रूप से वितरित किया जा सकता है, जबकि युग्मन एजेंट की अत्यधिक मात्रा सिरेमिक नैनोकणों के बीच बातचीत का कारण बन सकती है, और भराव के एकत्रीकरण के लिए अग्रणी हो सकती है। 30बीटी-वीसी91 नैनोकम्पोजिट्स के क्रॉस सेक्शन (यानी सिरेमिक-पॉलीमर इंटरफेस) की छवि को समान रूप से प्राप्त (असंशोधित) बीटी फिलर्स का उपयोग करते हुए चित्र 1सीमें दिखाया गया है, जबकि KH550 के 1 डब्ल्यूटी% वाले 30बीटी-वीसी91 नैनोकम्पोसाइट्स के क्रॉस सेक्शन को चित्रा 1डीमें दिखाया गया है। अनकोटेड बीटी का उपयोग करने वाले नैनोकम्पोसिट्स के लिए, हालांकि अधिकांश नैनोकण बहुलक में कसकर समझाए जाते हैं, फिर भी फिलर्स और मैट्रिक्स के बीच कुछ अलगाव हैं, जिसका अर्थ है कि मैट्रिक्स और फिलर्स के बीच कोई संबंध नहीं है। KH550-लेपित बीटी का उपयोग कर नैनोकम्पोसिट्स के लिए, बीटी नैनोकणों और VC91 मैट्रिक्स के बीच कोई जुदाई नहीं है, जो इंगित करता है कि युग्मन एजेंट भराव और मैट्रिक्स के बीच एक पुल के रूप में कार्य कर सकता है ।

इसके बाद विभिन्न मात्रा में कपलिंग एजेंट वाले नैनोकम्प्रिट के डाइइलेक्ट्रिक गुणों का परीक्षण किया गया और चित्र 2में दिखाया गया । 1 kHz और 100 kHz में युग्मन एजेंट की राशि बनाम डाइइलेक्ट्रिक सामग्री चित्रा 2ए, बीमें प्लॉट किया गया था। कम भराव सामग्री (यानी, 5, 10 और 15 vol%) के साथ नैनोकम्पोसिट्स के लिए, कंपोजिट का εआर मूल रूप से अपरिवर्तित था जब कपलिंग एजेंट की एक छोटी राशि का उपयोग किया जाता है, और बढ़ती युग्मन एजेंट राशि के साथ थोड़ा कम हो जाता है। एक उच्च भराव सामग्री के साथ नैनोकम्पोजिट्स के लिए, विशेष रूप से 30 vol% की भराव सामग्री के साथ नैनोकम्पोसाइट्स, कंपोजिट की εआर स्पष्ट रूप से कपलिंग एजेंट की एक छोटी राशि के साथ बढ़ जाती है, और आगे बढ़ती युग्मन एजेंट राशि के साथ तेजी से कम हो जाती है। जब KH550 की एक उपयुक्त राशि बीटी भराव की सतह पर लेपित किया गया था, अधिकतम εआर प्राप्त किया जा सकता है । उदाहरण के लिए, 30बीटी-वीसी91 से KH550(चित्रा 2ए)के 2 डब्ल्यूटी% के साथ 51 का एक ε आर हासिल किया गया था, जो KH550 (लगभग 40) के बिना 30बीटी-वीसी91 की तुलना में बहुत बड़ा है। इस समग्र प्रणाली में, छोटी मात्रा में कपलिंग एजेंट के साथ नैनोकम्पोसिट्स के लिए, εआर की वृद्धि सिरेमिक-बहुलक इंटरफेस पर गीली स्थिरता की वृद्धि और एडिटिव्स6, 10,,1033से संभावित पर्कोलेशन के कारण है; KH550 की एक बड़ी राशि के साथ लेपित बीटी नैनोकणों का उपयोग कर बीटी-VC91 के लिए εआर की कमी एक कम डाइइलेक्ट्रिक स्थिर के साथ VC91-KH550 बहुलक मिश्रणों के गठन के कारण है । कम भरने और उच्च भरने वाले नैनोकम्पोसिट के बीच डाइइलेक्ट्रिक गुणों में अंतर नमूना तैयार करने में उपयोग किए जाने वाले KH550 की वास्तविक राशि के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। 1 kHz और 100 kHz में युग्मन एजेंट की राशि बनाम डाइइलेक्ट्रिक नुकसान चित्रा 2सी, डीमें प्लॉट किया गया था । KH550 के साथ बीटी-VC91 KH550 के बिना बीटी-VC91 की तुलना में एक उच्च डाइइलेक्ट्रिक नुकसान है ।

बीटी-VC91 नैनोकम्पसाइट्स के टूटने की ताकत भी दर्ज की गई और चित्र 3में दिखाया गया । युग्मन एजेंट की महत्वपूर्ण राशि निर्धारित करने के लिए, टूटने की ताकत बनाम कपलिंग एजेंट की मात्रा और भराव की सामग्री बनाम ब्रेकडाउन स्ट्रेंथ क्रमशः चित्रा 3ए और चित्रा 3bमें दिखाया गया था। जैसा कि उम्मीद थी, सिरेमिक-बहुलक इंटरफेस के गठन के कारण बीटी-वीसी91 के ईबी में भराव सामग्री(चित्रा 3 बी)में वृद्धि हुई। 2 wt% KH550(चित्रा 3b)के साथ इलाज भराव का उपयोग कर उत्पादित कंपोजिट के लिए 30बीटी-VC91 का एक अधिकतम ईबी मनाया गया था। यदि 2 wt% से अधिक KH550 राशि का उपयोग किया गया था, तो बीटी-VC91 के ईबी को और कम कर दिया गया(चित्र 3 ए)। 2 डब्ल्यूटी% KH550 जोड़कर, 30BT-VC91 के ईबी को बढ़ाकर 200 एमवी/एम किया जा सकता है ।

विभिन्न मात्रा में कपलिंग एजेंट के साथ नैनोकम्पोसिट्स की चार्ज-डिस्चार्ज दक्षता और डिस्चार्ज एनर्जी डेंसिटी की गणना उनके पी-ई लूप से की गई थी । युग्मन एजेंट के उपयोग के कारण बढ़ी हुई ऊर्जा घनत्व के उदाहरण के रूप में, KH550 की विभिन्न मात्रा के साथ 15बीटी-वीसी91 के ऊर्जा भंडारण गुण चित्र 4में दिखाए गए हैं। कपलिंग एजेंट (1 - 2 डब्ल्यूटी%) की थोड़ी मात्रा के साथ बीटी-वीसी91 नैनोकम्पोसाइट्स की अधिकतम ऊर्जा घनत्व जाहिरा तौर पर कपलिंग एजेंट(चित्रा 4b)के बिना नैनोकम्पोसिट्स की तुलना में वृद्धि हुई है, जिसे मुख्य रूप से बढ़ी हुई ब्रेकडाउन ताकत और अपेक्षाकृत उच्च चार्ज-डिस्चार्ज दक्षता(η)के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। उच्च इलेक्ट्रिक दायर के तहत अधिक नुकसान के कारण, बीटी-VC91 नैनोकम्पसाइट्स की η अपेक्षाकृत उच्च इलेक्ट्रिक दायर(चित्रा 4a)में कमी आई । KH550 के 1 -2 wt% जोड़ने के एक निश्चित बिजली के क्षेत्र(चित्रा 4a)के तहत नैनोकंपोसाइट्स की η में वृद्धि हुई है, जो शुरू की पुल को जोड़ने के प्रभाव के लिए जिंमेदार ठहराया गया था । संक्षेप में, व्यास में ~ 200 एनएम के साथ बीटी नैनोकणों का उपयोग करके इस काम में तैयार नैनोकम्पसाइट्स के लिए, KH550 की महत्वपूर्ण राशि 2 डब्ल्यूटी% से छोटी है।

डाइइलेक्ट्रिक गुणों की आवृत्ति निर्भरता के संदर्भ में, नैनोकम्पोसिट बनाम परीक्षण आवृत्ति केε आर और टैन को भी प्लॉट किया गया था। एक उदाहरण के रूप में, 1 डब्ल्यूटी% कपलिंग एजेंट के साथ बीटी-वीसी 91 के डाइइलेक्ट्रिक गुणों को चित्र 5में दिखाया गया है, जिसने संकेत दिया कि सभी बीटी-वीसी 91 नैनोकंपोजिट के डाइइलेक्ट्रिक गुणों(εआर और टैन) की आवृत्ति निर्भरता मुख्य रूप से उनके बहुलक मैट्रिक्स द्वारा निर्धारित की गई थी। बढ़ती आवृत्ति(चित्रा 5a)के साथ नैनोकम्पोसाइट्स की εआर धीरे-धीरे कम हो गई। तनधीरे-धीरे कम आवृत्तियों पर आवृत्ति के साथ कम हो गया लेकिन धीरे-धीरे उच्च आवृत्तियों(चित्रा 5b)में वृद्धि हुई।

Figure 1
चित्रा 1: क्रॉस सेक्शन की एसईएम छवियां। KH550 के 1 wt% के साथ(ए)30बीटी-VC91 और KH550 के 5 wt% के साथ(ख)30बीटी-VC91 का भराव वितरण। केएच550 के बिना(सी)30बीटी-वीसी91dऔर 30बीटी-वीसी91 का 1 डब्ल्यूटी% के साथ 30बीटी-वीसी91 का सिरेमिक-पॉलिमर इंटरफेस। इस आंकड़े को टोंग एट अल4से संशोधित किया गया है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: 1किलोहर्ट्ज पर कपलिंग एजेंट (ए) εआर और 100 किलोहर्ट्ज पर(ख)ε)ε r की विभिन्न मात्रा के साथ कंपोजिट के डाइइलेक्ट्रिक गुण; (ग)1 किलोहर्ट्ज पर टैंप और 100 किलोहर्ट्ज पर(घ)टैंप । इस आंकड़े को टोंग एट अल4से संशोधित किया गया है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3: कपलिंग एजेंट (क) की विभिन्न मात्रा के साथ नैनोकम्पोसाइट्स की ब्रेकडाउन ताकत बीटी-वीसी91 के ईबी भराव सामग्री के एक समारोह के रूप में BT-VC91 के KH550 राशि(बी)ईबी के एक समारोह के रूप में । इस आंकड़े को टोंग एट अल4से संशोधित किया गया है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: नैनोकम्पोजिट्स के ऊर्जा भंडारण प्रदर्शन में विभिन्न मात्रा में कपलिंग एजेंट (ए)चार्ज-डिस्चार्ज दक्षता और(घ)डिस्चार्ज एनर्जी डेंसिटी ऑफ 15बीटी-वीसी91 के एक समारोह के रूप में KH550 राशि के एक समारोह के रूप में । इस आंकड़े को टोंग एट अल4से संशोधित किया गया है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्रा 5: KH550 के 1 wt% के साथ बीटी-VC91 के नैनोकम्पोसिट (ए)εआर और(बी)टैंपो के डाइइलेक्ट्रिक गुणों की आवृत्ति निर्भरता। इस आंकड़े को टोंग एट अल4से संशोधित किया गया है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Discussion

जैसा कि ऊपर चर्चा की गई है, इस कार्य द्वारा विकसित विधि सिरेमिक-बहुलक नैनोकम्पसाइट्स के ऊर्जा-भंडारण प्रदर्शन में सफलतापूर्वक सुधार कर सकती है। इस तरह की विधि के प्रभाव को अनुकूलित करने के लिए, सिरेमिक-सतह संशोधन में उपयोग किए जाने वाले युग्मन एजेंट की मात्रा को नियंत्रित करना महत्वपूर्ण है। ~ 200 एनएम व्यास वाले सिरेमिक नैनोकणों के लिए, यह प्रायोगिक रूप से निर्धारित किया गया था कि KH550 का 2 डब्ल्यूटी% अधिकतम ऊर्जा घनत्व का कारण बन सकता है। अन्य समग्र प्रणालियों के लिए, इस निष्कर्ष का उपयोग लगभग तब किया जा सकता है जब व्यास वाले भराव ~ 200 एनएम के करीब होते हैं। यदि 200 एनएम से बहुत बड़ा व्यास वाले भराव का उपयोग किया जाता है, तो महत्वपूर्ण राशि को प्रयोगों की इसी तरह की श्रृंखला के माध्यम से फिर से निर्धारित किया जाना चाहिए।

अन्य कार्यों की तुलना में, जिन्होंने डाइइलेक्ट्रिक नैनोकंपोसाइट्स की एकरूपता और प्रदर्शन में सुधार करने का प्रयास किया, इस काम में विकसित विधि बहुत सरल है और इसकी लागत कम है। इसके अलावा, कपलिंग एजेंट के आवेदन को स्पिन-कोटिंग और गर्म दबाने जैसी अन्य प्रक्रियाओं के साथ जोड़ा जा सकता है। भविष्य में विभिन्न उन्नत डाइइलेक्ट्रिक्स के निर्माण में सिरेमिक नैनो-फिलर्स का सतह संशोधन व्यापक रूप से लागू किया जाएगा।

यह बताया जाना चाहिए कि युग्मन एजेंट के आवेदन वास्तव में नैनोकंपोसाइट्स के गुणों को बदल नहीं करता है। इसलिए, एक समग्र में एक युग्मन एजेंट की प्रभावशीलता दृढ़ता से भराव और मैट्रिस के चयन पर निर्भर करती है, और यहां प्रस्तावित विधि केवल सीमित सीमा तक ऊर्जा भंडारण प्रदर्शन में बढ़ जाती है। नाटकीय रूप से बढ़ी हुई ऊर्जा घनत्व के साथ डाइइलेक्ट्रिक विकसित करने के लिए, उपन्यास समग्र प्रणालियों को अभी भी बनाने की आवश्यकता है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस काम को ताइयुआन यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी साइंटिफिक रिसर्च इनिशियल फंडिंग (20182028) द्वारा समर्थित किया गया था, जो शांक्सी प्रांत (20192006), शांक्सी प्रांत के प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन की डॉक्टरेट शुरुआती नींव थी। (201703D1111003), शांक्सी प्रांत की विज्ञान और प्रौद्योगिकी प्रमुख परियोजना (MC2016-01), और परियोजना U610256 चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3-Aminopropyltriethoxysilane (KH550) Sigma-Aldrich 440140 Liquid, Assay: 99%
95 wt.% ethanol-water Sigma-Aldrich 459836 Liquid, Assay: 99.5%
BaTiO3 nanoparticles US Research Nanomaterials US3830 In a diameter of about 200 nm
Ferroelectric tester Radiant Precision-LC100
Glass substrates Citoglas 16397 75 x 25 mm
Gold coater Pelco SC-6
High voltage supplier Trek 610D 10 kV
Impedance analyzer Keysight 4294A
N, N dimethylformamide Fisher Scientific GEN002007 Liquid
P(VDF-CTFE) 91/9 mol.% copolymer
Scanning Electron Microscopy (SEM) JEOL JSM-7000F
Vacuum oven Heefei Kejing Materials Technology Co, Ltd DZF-6020

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lines, M. E., Glass, A. M. Principles and applications of ferroelectrics and related materials. , Oxford University Press. (2001).
  2. Nalwa, H. S. Handbook of low and high dielectric permittivity materials and their applications, phenomena, properties and applications. , Academic. San Diego, CA. (1999).
  3. Kao, K. C. Dielectric phenomena in solids. , Academic Press. (2004).
  4. Tong, Y., Li, L., Liu, J., Zhang, K., Jiang, Y. Influence of coupling agent on the microstructure and dielectric properties of free-standing ceramic-polymer composites. Materials Research Express. 6 (9), 095322 (2019).
  5. Zhang, M., et al. Controlled functionalization of poly(4-methyl-1-pentene) films for high energy storage applications. Journal of Materials Chemistry A. 4 (13), 4797-4807 (2016).
  6. Zhang, L., Cheng, Z. Y. Development of polymer-based 0-3 composites with high dielectric constant. Journal of Advanced Dielectrics. 1 (04), 389-406 (2011).
  7. Barsoum, M., Barsoum, M. W. Fundamentals of ceramics. , CRC press. (2002).
  8. Jaffe, B. Piezoelectric ceramics. , Elsevier. (2012).
  9. Zhang, L., et al. All-organic dielectric nanocomposites using conducting polypyrrole nanoclips as filler. Composites Science Technology. 167, 285-293 (2018).
  10. Liao, X., et al. Flexible hdC-G reinforced polyimide composites with high dielectric permittivity. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 101, 50-58 (2017).
  11. Xu, W., et al. Highly foldable PANi@ CNTs/PU dielectric composites toward thin-film capacitor application. Materials Letters. 192, 25-28 (2017).
  12. Zhang, L., et al. Nano-clip based composites with a low percolation threshold and high dielectric constant. Nano Energy. 26, 550-557 (2016).
  13. Zhou, S., Zhou, G., Jiang, S., Fan, P., Hou, H. Flexible and refractory tantalum carbide-carbon electrospun nanofibers with high modulus and electric conductivity. Materials Letters. 200, 97-100 (2017).
  14. Zhang, L., Du, W., Nautiyal, A., Liu, Z., Zhang, X. Recent progress on nanostructured conducting polymers and composites: synthesis, application and future aspects. Science China Materials. 61 (3), 303-352 (2018).
  15. Xie, Y., Yu, Y., Feng, Y., Jiang, W., Zhang, Z. Fabrication of Stretchable Nanocomposites with High Energy Density and Low Loss from Cross-Linked PVDF Filled with Poly(dopamine) Encapsulated BaTiO3. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (3), 2995-3005 (2017).
  16. Zhang, L., Wu, P., Li, Y., Cheng, Z. Y., Brewer, J. C. Preparation process and dielectric properties of Ba0.5Sr0.5TiO3-P(VDF-CTFE) nanocomposites. Composite Part B: Engineering. 56, 284-289 (2014).
  17. Dang, Z. M., et al. Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites. Progress in Materials Science. 57 (4), 660-723 (2012).
  18. Wu, P., et al. Effect of coupling agents on the dielectric properties and energy storage of Ba0.5Sr0.5TiO3/P(VDF-CTFE) nanocomposites. AIP Advances. 7 (7), 075210 (2017).
  19. Zhang, L., et al. Process and microstructure to achieve ultra-high dielectric constant in ceramic-polymer composites. Scientific Reports. 6, 35763 (2016).
  20. Lu, X., Tong, Y., Cheng, Z. Y. Fabrication and characterization of free-standing, flexible and translucent BaTiO3-P (VDF-CTFE) nanocomposite films. Journal of Alloys and Compounds. 770, 327-334 (2019).
  21. Goyal, R. K., Katkade, S. S., Mule, D. M. Dielectric, mechanical and thermal properties of polymer/BaTiO3 composites for embedded capacitor. Composites Part B: Engineering. 44 (1), 128-132 (2013).
  22. Pan, Z., et al. Fast discharge and highenergy density of nanocomposite capacitors using Ba0.6Sr0.4TiO3nanofibers. Ceramics International. 42 (13), 14667-14674 (2016).
  23. Hu, G., et al. Preparation and dielectric properties of poly(vinylidene fluoride)/Ba0.6Sr0.4TiO3 composites. Journal of Alloys and Compounds. 619, 686-692 (2015).
  24. Chen, Y., Chan, H. L. W., Choy, C. L. Nanocrystalline lead titanate and lead titanate/vinylidene fluoride-trifluoroethylene 0-3 nanocomposites. Journal of the American Ceramic Society. 81 (5), 1231-1236 (1998).
  25. Singh, P., Borkar, H., Singh, B. P., Singh, V. N., Kumar, A. Ferroelectric polymer-ceramic composite thick films for energy storage applications. AIP advances. 4 (8), 087117 (2014).
  26. Dang, Z., et al. Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites. Progress in Materials Science. 57 (4), 660-723 (2012).
  27. Arbatti, M., Shan, X. B., Cheng, Z. Y. Ceramic-Polymer Composites with High Dielectric Constant. Advanced Materials. 19 (10), 1369-1372 (2007).
  28. Fan, B., Liu, Y., He, D., Bai, J. Achieving polydimethylsiloxane/carbon nanotube (PDMS/CNT) composites with extremely low dielectric loss and adjustable dielectric constant by sandwich structure. Applied Physics Letters. 112 (5), 052902 (2018).
  29. Liao, S., et al. A surface-modified TiO2 nanorod array/P(VDF-HFP) dielectric capacitor with ultra-high energy density and efficiency. Journal of Materials Chemistry C. 5 (48), 12777-12784 (2017).
  30. Mittal, K. L. Silanes and Other Coupling Agents. 3, CRC Press. (2004).
  31. Zhang, X., et al. Superior Energy Storage Performances of Polymer Nanocomposites via Modification of Filler/Polymer Interfaces. Advanced Materials Interfaces. 5 (11), 1800096 (2018).
  32. Yeh, J. M., et al. Thermal and optical properties of PMMA-titania hybrid materials prepared by sol-gel approach with HEMA as coupling agent. Journal of Applied Polymer Science. 94 (1), 400-405 (2004).
  33. Yang, C., Song, H. S., Liu, D. B. Effect of coupling agents on the dielectric properties of CaCu3Ti4O12/PVDF composites. Composites Part B: Engineering. 50, 180-186 (2013).
  34. Iijima, M., Sato, N., Lenggoro, I. W., Kamiya, H. Surface Modification of BaTiO3 Particles by Silane Coupling Agents in Different Solvents and Their Effect on Dielectric Properties of BaTiO3/Epoxy Composites. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 352 (1-3), 88-93 (2009).
  35. Zhang, Q., et al. Enhanced Dielectric Tunability of Ba0.6Sr0.4TiO3/Poly(vinylidene fluoride) Composites via Interface Modification by Silane Coupling. Agent. Composites Science and Technology. 129, 93-100 (2016).
  36. Dang, Z. M., Wang, H. Y., Xu, H. P. Influence of Silane Coupling Agent on Morphology and Dielectric Property in BaTiO3/Polyvinylidene fluoride Composites. Applied Physics Letters. 89 (11), 112902 (2006).
  37. Tong, Y., Zhang, L., Bass, P., Rolin, T. D., Cheng, Z. Y. Influence of silane coupling agent on microstructure and properties of CCTO-P(VDF-CTFE) composites. Journal of Advanced Dielectrics. 8 (02), 1850008 (2018).
  38. Shan, X. High dielectric constant 0-3 ceramic-polymer composites. , Auburn University. (2009).

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इंजीनियरिंग अंक 163 डाइइलेक्ट्रिक्स नैनोकम्पोसाइट्स कपलिंग एजेंट सिरेमिक-पॉलिमर माइक्रोस्ट्रक्चर फ्री-स्टैंडिंग
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Li, H., Zhang, D., Li, Z., Li, L., Liu, J., Li, Y. Application of a Coupling Agent to Improve the Dielectric Properties of Polymer-Based Nanocomposites. J. Vis. Exp. (163), e60916, doi:10.3791/60916 (2020).

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